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浅析汽车座椅舒适性开发和研究
2020-09-24 22:53:44· 来源：上汽安全与CAE技术
1．座椅舒适性开发的研究背景汽车座椅作为驾乘人员最直接接触的汽车部件，除其外观品质能给消费者带来最直观的感受外，乘坐的舒适性也直接影响着客户的主观感知
1．座椅舒适性开发的研究背景
汽车座椅作为驾乘人员最直接接触的汽车部件，除其外观品质能给消费者带来最直观的感受外，乘坐的舒适性也直接影响着客户的主观感知，因此汽车座椅的舒适性能也成为了国内各大厂商比较关注并努力改善的地方。而研究汽车座椅的舒适性，也是为了在设计汽车座椅的时候能够更加人性化，减少人体脊椎的承受力，减少人体疲惫，让消费者可以更舒适更安全的驾驶，这对企业提升顾客服务和自身产品价值有着重要的指导意义。
图1 不同的造型/材质的汽车座椅
2．汽车座椅舒适性设计要点
2.1 座椅舒适性设计的原则
座椅舒适性设计的目标就是满足消费者对座椅整体主观感知是舒适的，短时入座的舒适，长途行驶中和行驶后的舒适，因此从舒适性角度来看，对座椅的舒适性设计应该要满足以下原则:
图2 舒适座椅的基本特征
2.2 座椅舒适性分类
座椅的舒适性一般包括静态舒适性、动态舒适性和操作舒适性三类；静态舒适性主要是在静止状态下座椅的舒适性表现，其主要与座椅的表面支撑度，贴合度和软硬程度等相关；动态舒适性主要是在车辆行驶状态下座椅的舒适性表现，其主要与汽车的振动特性相关，反映轮胎、悬架和座椅三个减振环节的性能；操作舒适性主要是与座椅相关的操纵功能的适应性能，其与操纵件的布置，考虑人体尺寸范围的空间管理相关，如图3所示：
图3 座椅舒适性分类
3．汽车座椅舒适性影响因素和设计要素
汽车座椅的设计过程中既要满足安全性、功能性要求，也要符合总布置的要求，满足人机工程学，座椅的造型设计也确定了座椅的主要尺寸和型面，因此座椅的舒适性设计，要在综合考虑这些影响因素的前提下，控制一些主要的相关设计要素来提升其整体的舒适性能，如座椅的型面设计，发泡的硬度和密度，骨架的动态特性等，主要内容如图4所示：
图4 座椅舒适性影响因素及设计要素
4 座椅舒适性仿真分析和验证
4.1 静态舒适性试验与仿真分析
4.1.1静态舒适性试验
座椅的静态舒适度一般与座椅的材质和设计结构相关，目前进行静态舒适度的测试和验证常用的手段就是人体压力分布测试，通过测试提取的压力分布云图，最大压力，平均压力值等客观数据来初步评价座椅的静态舒适性能。不合适的汽车座椅会导致人体腰部、腿部、臀部的疲劳, 增加驾乘人员的整体疲劳程度，所以一般会要求人体跟坐垫和靠背之间有较大的接触面积，并避免最大压力分布在腿部区域来提升座椅的舒适性能。常见的静态体压分布测试方法及测得的压力分布云图如图5所示：
图5 座椅人体压力分布测试
4.1.2 静态舒适性仿真
在座椅舒适性开发过程中，以往仅能在实物样件出来后进行评价，因此更改范围较小，特别是A面很难再进行调整。这种操作方式导致产品后期发现的舒适性问题难以解决。所以目前在项目早期舒适性开发过程中，除了进行H点控制分析、功能性人机分析、布置分析外，各个厂商开始进行座椅的静态压力分布仿真分析研究，旨在提升座椅舒适性设计开发的能力。
通过静态舒适性仿真获取坐垫和靠背的压力分布结果，主要方式建立假人和座椅模型，计算人体落座至稳定状态后的接触压力，通过分区域的压力均值、接触面积等参数与台架试验做对比，后续对于坐垫和靠背的结构优化提供改进的方向。
座椅模型包含发泡、面套和骨架三个部分，其中发泡根据不同的发泡硬度进行分区域建模，面套与发泡之间的固定吊紧和包裹，也都用不同的连接方式进行模拟；HPM假人模型根据实际重量进行配重，并且依据其各个模块的运动关系来增加铰链单元；座椅仿真分析模型及假人的摆放见图6，图7所示。
图6 座椅压力分布仿真分析模型
图7 假人模型摆放及假人H点稳定过程
仿真分析体压分布结果如图8所示，臀部中心和大腿位置体压分布与试验结果基本吻合。
图8 坐垫压力分布仿真对标
4.2 动态舒适性试验与仿真分析
4.2.1 动态舒适性试验
座椅的动态舒适度不仅与座椅的性能相关，也与整车的悬架、轮胎等相关，传统的测试方法都是基于实车的试验方法，依靠试验人员实时记录汽车的客观评价指标所需的计算数据，比如利用三轴式加速度测量仪进行加速度测量和试验人员主观打分进行评价，对于不理想的反馈结果进行改进设计。
目前行业内的动态舒适性台架测试，一般是基于中国汽车行业标准QC/T55﹣1993《汽车座椅动态舒适性试验方法》进行座椅的静载和频响特性试验，得到座椅的静刚度和传递率曲线，计算座椅的固有频率、动刚度和阻尼比等参数，以此来评价座椅的动态特性，为其动态舒适性评价提供参考指标。而国外有人提出测量和计算座椅的“乘坐舒适性指标R”的经验评价方法：
式中,代表座椅舒适性常数；A为座椅共振频率所对应的振动传递率；B为10Hz时的振动传递率；为座椅的固有频率。R值越大，说明座椅的动态特性越好。
4.2.2 动态舒适性仿真分析
目前，座椅的动态舒适性仿真分析主要方法是基于动力学软件，建立多自由度的座椅-人体全模型，包括座椅和人体的多体系统，将模型进行参数化建模，考虑脚部与汽车底板的接触，即汽车底板对脚部具有振动传递，以一定时长的随机振动信号作为激励进行仿真，以模型的加权加速度均方根值作为舒适度的量化计算方法。
5．座椅的舒适性评价
座椅的舒适性评价分主观评价和客观评价两种评价方式。目前主要的主观评价方式即通过调查问卷的形式，由不同体型和身高的大样本人群进行评分来综合评估；而客观评价方式即主要通过上述的静态和动态测试获取客观指标来进行评估，由于主观评估完全由受测人员的主观感受决定，主观的评价结果具有比较大的离散性，客观评价不以人的主观意志为转移，一般情况下客观评价的结果更为稳定，在早期设计中，通过仿真分析的手段，通过客观指标定义来为设计提供参考具有重要的意义，但如何将客观的分析和测试指标与主观评价结果关联起来，综合提升座椅的舒适性能，将是作为座椅开发工程师所努力的主要方向。
6．总结
座椅设计开发是一项系统集成度很高的设计工作，技术方面涉及舒适性、功能性、安全性、法规性和美观性等要求，同时在项目方面还涉及成本控制和质量要求，其中有些技术要求相互之间还存在一定冲突，因此在开发过程中经常需要从座椅综合性能要求和目标市场客户角度来进行平衡，从而制定合理的设计目标来设计出高舒适度评价的座椅。
参考文献
[1]陈惠超.汽车座椅-乘员动态舒适性试验与仿真分析研究[D].湖北汽车工业院,2017.
[2] 董明，戴善其.基于发泡硬度分布的汽车座椅舒适性分析[J].汽车工程师,2019.
[3] 黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计[M].机械工业出版社1997.
[4] 江中华.汽车座椅舒适性开发的初步研究[J].应用技术,2011.
[5] 袁辉等.基于台架试验的座椅动态舒适性研究[J],工程与试验，2019.
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